LVDT位移傳感器電壓電流轉換電路的設計*

柏受軍，王 鳴，郎 朗，趙 發

(安徽工程大學安徽省電氣傳動與控制重點實驗室，安徽蕪湖241000)

0 引言

位移是表征生產過程的一種重要工況參數，能夠測量位移量的傳感器種類很多，常用的有應變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器等［1］，其中，線性可變差動變壓器(linear variable differential transformer，LVDT)式位移傳感器是電感式位移傳感器常見的一種結構形式。這種傳感器結構簡單、測量線性范圍大、測量電路可靠、具有較高的分辨力和靈敏度以及較低的價格等優點，在許多行業的位移測量系統中得以廣泛應用［2］。為了使LVDT傳感器輸出信號能夠進行遠距離傳輸，需要將其配套的信號調理電路中濾波放大后的電壓信號轉換成電流信號，因為采用電流傳輸信號具有抗干擾能力強和不受傳輸電纜電阻影響的優點。根據國際電工委員會標準IEC 60381—1的規定，用于傳輸的模擬電流信號標準是4～20 mA。因此，設計出高性能的V/I轉換電路，對于提高傳感器的性能，完成信號的精確遠距離傳輸有著重要的意義。

1 LVDT位移傳感器原理

差動變壓器的結構形式有變隙式與螺管式2種形式，其中變隙式差動變壓器由于行程小，結構復雜，應用較少。本文使用的是螺管式交流位移傳感器，其結構示意圖如圖1(a)所示。初級線圈平繞在圓形骨架上，次級線圈采用臺階式繞法，以改善傳感器線性度，鐵芯在骨架里無接觸地移動。如果忽略線圈的寄生電容與鐵芯損耗，那么，差動變壓器的等效電路為如圖1(b)所示。圖中e1為初級線圈激勵電壓，L1，R1為初級線圈電感和電阻;M1，M2分別為初級和二次級線圈間的互感;L21，L22，R21，R22分別為二次線圈電感和電阻。根據變壓器原理，在一定的行程范圍內，初級線圈加上適當的激勵，次級線圈就會產生輸出，通過信號調理電路，傳感器的輸出不但正比于鐵芯位移，而且還能反映鐵芯的移動方向［3］。

圖1 差動變壓器式位移傳感器Fig 1 Displacement sensor based on LVDT

圖1(c)是某LVDT位移傳感器的調理電路功能框圖，其中V/I電路就是將放大濾波電路輸出的電壓信號轉換成4～20 mA的電流信號。簡單V/I轉換電路可以利用雙極型或場效應晶體管構成，這類電路受器件參數分散性影響嚴重。也有基于運算放大器構成的V/I轉換電路，這類電路憑借運算放大器的高開環增益指標實現深負反饋，從而獲得優良的直流精度和輸出阻抗，但無法輸出無偏置電流［4］。鑒于上述V/I轉換電路缺陷，設計出一種以Howland電流泵電路為基礎的0～5 V到4～20 mA的V/I轉換電路，電路仿真和實驗結果表明該電路性能可以滿足傳感器設計要求，并已用于實際產品中。

2 電路設計

2.1 Howland 電路

Howland電流泵電路是一種適用于接地負載的V/I轉換器，其原理圖如圖2所示。

圖2 Howland電流泵Fig 2 Howland current pump

該電路是由一個具有串聯電阻R1的輸入源V1和一個合成的接地電阻所組成，其中電阻R1和負載之間的合成接地電阻Req的值計算如下

式中 IA為流進A點的電流，VA為A點的電位。令等效電阻 Req=VA/IA，根據式(1)得

根據式(2)可知此等效電阻為負阻轉換器，其目的是平衡R1，以便使從負載看過去總輸出電阻R0為無窮大。根據圖2的等效電路得

當這個條件滿足時，電路輸出就與負載上的電壓無關，其輸入輸出關系為

從圖2的電路結構可以看出:Howland電路既包含有一個負的反饋通道，又包含一個正的反饋通道，其中正反饋系數 βP和負反饋系數 βN分別為［5］

式中 RL為負載。將平衡電橋等式(4)代式(6)和式(7)，正負反饋系數的形式可寫成

很顯然，只要電路接在某個有限負載RL＜∞上，就有βN＞βP，這表明負反饋一定占優勢，因此，可以得到一個穩定的電路。

但在實際電路中由于電阻值的允許誤差，電阻電橋很可能是不平衡的，這就必然會降低R0的品質，而Io的輸出就有一定的非線性。

2.2 0～5 V 到4～20 mA 轉換電路

某LVDT位移傳感器調理電路中濾波放大環節輸出為0～5 V的電壓信號，為了將其轉換成4～20 mA的電流信號，設計了在Howland電路的基礎上改進的V/I轉換電路，其原理圖如圖3所示。

圖中，U3，U4構成的電壓跟隨器，主要是使反饋回路與輸出阻抗隔離，以改善輸出電阻的品質。設U2的異名端和同名端的輸入分別為V1，V2，U2的輸出為Vo1，則

實驗組內共有2例患者出現不良問題,占該組總人數的8.00%;對照組內共有9例患者出現不良問題,占該組總人數的36.00%。兩組患者的不良問題發生比較差異顯著,其中X2=5.71,P=0.02<0.05,有統計學意義,詳見表1.

式中 VP為U2的同名端電位。由運算放大器U2“虛斷”，得

圖3 0～5 V到4～20 mA轉換電路Fig 3 0～5 V to 4～20 mA change-over circuit

即

將VP的值代入式(10)，得

由于反饋回路中的電壓跟隨器作用，有

將式(12)代入上式，得

為使Ro=∞，則電阻電橋平衡條件是

將電阻電橋平衡條件即式(14)代入式(13)，得

由于圖3所示電路中V2=0 V，則

為實現將0～5 V轉換成4～20 mA，根據式(14)的電阻電橋平衡條件，令

同理，當Vi=5 V 時，I0=20 mA，得，所以

取R8=2 kΩ，聯立式(17)和式(18)求出 R6=60 kΩ，R7=6.25 kΩ。

3 電路仿真和實驗結果

根據上面設計的元件參數值，運算放大器選用普通的四運放LM324，用OrCAD/Pspice軟件搭建仿真用電路，對Vi進行0～6 V直流掃描，則Io的輸出仿真曲線為一直線。經測量當Vi=0 V，Io輸出有個較小偏差，通過對R6進行參數掃描仿真，得到R6=60.1 kΩ時，Io=4 mA。表1就是對仿真曲線測量后得到的輸入和輸出對應值。

表1 電路測試結果Tab 1 Circuit test results

根據仿真測試結果，設計電路的線性度可以達到±0.017%，能夠滿足大多數傳感器線性度的要求。

為了驗證該電路對整個傳感器調理電路溫度漂移影響程度，對電路進行了溫度漂移的測試。將該電路置于烘箱中，測試的負載電阻為250Ω，表2是電路溫度測試結果，從表中可以得到，使用設計的V/I轉換電路該位移傳感器的熱靈敏度漂移為1.9×10－5/℃。

表2 溫度漂移測試結果Tab 2 Measurement results of temperature shift

4 結論

基于Howland電路的0～5V到4～20mA V/I轉換電路，具有良好的性線度和熱穩定性，從電路的仿真和實驗結果來看，能夠滿足傳感器電流輸出的要求，并已經成功應用在某LVDT位移傳感器調理電路中。

［1］孫圣和.現代傳感器發展方向［J］.電子測量與儀器學報，2009，23(1):1－2.

［2］尹成竹，柏受軍，黃 平，等.一種基于AD598的精密位移傳感器的研制［J］.傳感器與微系統，2007，26(2):68－70.

［3］嚴鐘豪，譚祖根.非電量電測技術［M］2版.北京:機械工業出版社，1999:74－83.

［4］邢維巍，樊尚春，蔡晨光.低噪聲無偏置電壓—電流變換器［J］.傳感技術學報，2007，20(10):2337－2341.

［5］賽爾吉歐·佛朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計［M］.3版.劉樹棠，朱茂林，榮 玫，譯.西安:西安交通大學出版社，2004:56－60.